孫恒 谷君豪 羅紅梅 劉亮 孟德強(qiáng)

摘 要：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無線遙控小車得到日益廣泛的推廣和應(yīng)用，在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)展了巨大的作用。文章設(shè)計(jì)了無線遙控小車的上位機(jī)系統(tǒng)與下位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)系統(tǒng)用來發(fā)送控制指令，通過點(diǎn)擊軟件界面的虛擬按鍵，借助USB轉(zhuǎn)NRF24L01模塊發(fā)送相應(yīng)的指令，而下位機(jī)系統(tǒng)以MK60FN1M0VLQ15單片機(jī)為核心單元，負(fù)責(zé)接收控制系統(tǒng)的動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)以及自動(dòng)避障功能。

關(guān)鍵詞：無線遙控;NRF24L01模塊;自動(dòng)避障

中圖分類號(hào)：U284.48+2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-25-04

Abstract： With the development of electronic technology， wireless remote control cars have been increasingly promoted and applied， and have developed a huge role in modern society. This paper designs the upper computer system and the lower computer system of the wireless remote control car. The upper computer system is used to send control commands. By clicking the virtual buttons on the software interface， the corresponding commands are sent by means of the USB-to- NRF24L01 module. The lower computer system uses the MK60FN1M0VLQ15 microcomputer as the core unit and is responsible for receiving the control system's action commands to realize the movement of the car and automatic obstacle avoidance function.

Keywords： Wireless remote control; NRF24L01 module; Automatic obstacle avoidance

CLC NO.： U284.48+2? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-25-04

前言

隨著無線通信技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，無線遙控小車在環(huán)境偵察、疫情監(jiān)控等方面得到日益廣泛的應(yīng)用[1]。本文主要論述基于NRF24L01模塊的無線遙控小車設(shè)計(jì)，包括上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。上位機(jī)系統(tǒng)借助Visual Studio 2015實(shí)現(xiàn)虛擬按鍵設(shè)計(jì)，并通過USB轉(zhuǎn)NRF24L01模塊發(fā)送控制指令，硬件系統(tǒng)則負(fù)責(zé)響應(yīng)相應(yīng)的指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無線遙控小車運(yùn)動(dòng)的控制。

1 無線遙控小車系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的遙控小車系統(tǒng)從整體上分為上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)從PC端發(fā)出控制信號(hào)，然后由USB轉(zhuǎn)NRF24L01模塊將控制信號(hào)發(fā)送出去，下位機(jī)系統(tǒng)以K60單片機(jī)作為下位機(jī)控制單元，根據(jù)上位機(jī)的指令控制I/O端口的輸出電平，從而控制驅(qū)動(dòng)小車的電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，或者控制負(fù)責(zé)小車前進(jìn)方向控制的舵機(jī)打舵量，并可在緊急狀況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。

上位機(jī)系統(tǒng)主要由控制軟件和USB轉(zhuǎn)NRF24L01模塊組成，在控制軟件界面中設(shè)計(jì)5個(gè)按鍵，分別用于控制小車的前后行進(jìn)、左右轉(zhuǎn)向與停止，鼠標(biāo)點(diǎn)擊不同的按鍵后就由USB轉(zhuǎn)NRF24L01模塊發(fā)送指令數(shù)據(jù)出去。

下位機(jī)系統(tǒng)主要由電源模塊、K60單片機(jī)、NRF24L01模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)、舵機(jī)、超聲波測距模塊組成。電源模塊將7.2V的電池電壓分別調(diào)節(jié)成5V、6V和12V電壓，然后分別提供給K60核心板、舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片作為VCC信號(hào)。K60單片機(jī)作為下位機(jī)系統(tǒng)的控制單元，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的指令控制驅(qū)動(dòng)小車的電機(jī)和決定小車前進(jìn)方向的舵機(jī)，并能夠接收超聲波測距模塊的回傳信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算遙控小車當(dāng)前情況下與障礙物的距離，在小車與障礙物之間的距離小于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的緊急避障閾值時(shí)，做出相應(yīng)的響應(yīng)自動(dòng)控制舵機(jī)，使小車不至于因操作人員操作不當(dāng)或注意力分散等意外情況下小車碰撞障礙物。NRF24L01模塊作為無線通信的射頻收發(fā)器件，可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的無線通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的遙控控制。直流電機(jī)的作用為驅(qū)動(dòng)小車，在下位機(jī)通過I/O端口輸出PWM信號(hào)[2]時(shí)可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退等各種動(dòng)作。在本文的遙控小車的設(shè)計(jì)中，控制小車前進(jìn)方向的舵機(jī)安裝在遙控小車的前端，并通過舵機(jī)支架與舵機(jī)圓盤與小車的轉(zhuǎn)向拉桿進(jìn)行連接。超聲波測距模塊主要負(fù)責(zé)自動(dòng)測量小車與障礙物之間的距離，單片機(jī)根據(jù)得到的距離信息決策是否需要緊急避障。

無線遙控小車的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)模塊

本文設(shè)計(jì)的無線遙控小車的硬件控制單元采用K60核心板，該核心板將MK60FN1M0VLQ15單片機(jī)的引腳使用排針及插座全部引接出來，方便使用者與其他器件連接，省去焊接引腳的精力。該核心板的尺寸為40*32.5mm，JTAG接口為雙排針標(biāo)準(zhǔn)插接件，該板子的額定工作電壓為5V±5%，板子的主頻晶振為50M，工作溫度范圍為-40℃-105℃。單片機(jī)模塊原理圖如圖2所示。

2.2 NRF24L01模塊

本無線遙控小車的設(shè)計(jì)采用NRF24L01模塊，如圖3所示。該模塊是由NORDIC公司生產(chǎn)的一種用于無線通信的芯片，它工作在2.4-2.5GHz的ISM頻段內(nèi)，在芯片的內(nèi)部有位于挪威的研發(fā)公司的自己的Enhanced short Burst協(xié)議，可以方便的實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)或者一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用HIP4082芯片，通過H橋電路[3]和單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，包括電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的原理圖如圖4所示。

驅(qū)動(dòng)電路有兩個(gè)輸入端和四個(gè)輸出端，其中，PTC1和PTC2為控制信號(hào)輸入端，AHO1、ALO1、BHO1、BLO1為信號(hào)輸出端，用來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和加減速。

2.4 電源模塊

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要12V電壓，單片機(jī)模塊需要5V電壓，舵機(jī)則需要6V電壓供，因此電源模塊的設(shè)計(jì)要能夠提供三種電壓，來分別滿足下位機(jī)系統(tǒng)主要模塊的供電要求。

TPS7350芯片內(nèi)部含有過熱保護(hù)電路、電流限制電路、靜態(tài)電流降低電路、電池反接和反插入保護(hù)電路，能夠使電壓穩(wěn)定在5V，使得單片機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，因此本設(shè)計(jì)中選擇TPS7350芯片將7.2V的電池電壓降壓為5V?？紤]到電機(jī)可能需要提供一定的大電流，同時(shí)在靜態(tài)的時(shí)候希望靜態(tài)消耗小，因此選擇MC34063芯片將電壓升為12V。除此以外，本設(shè)計(jì)選擇AS1015芯片將7.2V的電池電壓降壓為6V，相應(yīng)的穩(wěn)壓電路原理圖如下所示。

2.5 舵機(jī)模塊

舵機(jī)與轉(zhuǎn)向拉桿相連接，用于控制小車的前進(jìn)方向，本設(shè)計(jì)采用了輝盛公司生產(chǎn)的SG-5010型號(hào)的舵機(jī)，如圖8所示。

本無線遙控小車所選舵機(jī)有三根信號(hào)線，分別是VCC電源線，接6V電壓，GND線，接地線，信號(hào)線，接單片機(jī)的PTD2端口。與驅(qū)動(dòng)模塊的控制方式類似，舵機(jī)也采用PWM信號(hào)控制。

2.6 超聲波測距模塊

由于操作人員存在操作失誤或注意力分散等情況，小車在運(yùn)行過程中存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。超聲波測距模塊可實(shí)時(shí)發(fā)出超聲波，測量無線遙控小車與障礙物的距離，在小車與障礙物之間的距離小于碰撞閾值時(shí)，小車能夠自動(dòng)剎車，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。在本設(shè)計(jì)中，采用HC-SR04超聲波避障模塊，如圖9所示。

通過MK60FN1M0VLQ15單片機(jī)給予超聲波測距模塊的Trig端口10us高電平信號(hào)，作為測距觸發(fā)信號(hào)，該模塊在接收觸發(fā)信號(hào)后，自動(dòng)發(fā)射8個(gè)40KHz方波，并自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回。在信號(hào)返回時(shí)，通過超聲波測距模塊的Echo端口輸出高電平，根據(jù)公式（1）即可計(jì)算此時(shí)無線遙控小車與障礙物的距離。

式中：l為無線遙控小車與障礙物的距離，單位為m;s為Echo端口高電平持續(xù)的時(shí)間，單位為s。

在本設(shè)計(jì)中，碰撞閾值設(shè)置為0.2m。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制軟件界面及控制邏輯

控制軟件使用Visual Studio 2015開發(fā)，在Visual Studio 2015建立基于對(duì)話框的項(xiàng)目，然后放置5個(gè)按鍵和其他控件，點(diǎn)擊軟件界面的按鍵則可發(fā)送相應(yīng)的控制指令，如圖10所示。

圖11與圖12所示的流程圖展示了控制軟件的控制邏輯，打開軟件后，判斷是否有按鍵被點(diǎn)擊，如果沒有按鍵被按下則繼續(xù)檢查有無按鍵按下。如果有按鍵被按下，將按鍵的ID放到NRF24L01模塊的發(fā)送緩沖區(qū)中，通過該模塊將控制指令發(fā)送到下位機(jī)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的無線遙控小車，該系統(tǒng)借助集成開發(fā)環(huán)境Visual Studio 2015設(shè)計(jì)了控制軟件，通過點(diǎn)擊控制軟件界面的按鍵，可向下位機(jī)發(fā)送控制指令，下位機(jī)可在20ms內(nèi)對(duì)指令進(jìn)行響應(yīng)，控制無線遙控小車的前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向，還可在緊急情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的無線遙控小車工作穩(wěn)定可靠，為新型無線遙控小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了新的可借鑒方案。

參考文獻(xiàn)

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